第四章集成运算放大电路

2020/6/161第四章集成运算放大电路4.1集成运算放大电路概述4.2集成运放中的电流源电路4.3集成运放电路简介4.4集成运放的指标及低频等效电路4.5集成运放的种类及选择4.6集成运放的使用2020/6/1624.1集成运算放大电路概述集成电路(Integratedcircuit_IC)是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等半导体工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体（硅）基片上，构成一个完整的电路。2020/6/1634.1.1集成运放的电路结构特点5．在集成电路中，NPN管都做成纵向管，大；PNP管都做成横向管，小而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，和(+1)差别大，IB往往不能忽略。1．单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。适合于组成差动电路。2．阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。3．大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。4.在集成电路中，常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。2020/6/1644.1.2集成运放的组成及各部分的作用对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMR,输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。偏置电路：为各级设置合适的静态工作点2020/6/165集成运放的符号＋－uPuNuoAod－＋＋u－u+uoAo同相输入端：uP、u＋反相输入端：uN、u运放的电压传输特性线性区线性区：)(NPodOuuAu饱和区：)0()0(NPOMNPOMOuuUuuUu饱和区4.1.3集成运放的电压传输特性2020/6/1664.2集成运放中的电流源电路4.2.1基本电流源电路一、镜像电流源currentmirrorRUVIBECCR=T0、T1对称。（常数）BII2=CCII2=CC2=IRCCIββ=II21电路具有温度补偿作用：温度↑→IC1↑IC1↓ICO↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓2020/6/167二、比例电流源111000eEBEeEBERI=URIU希望得到：IC1＝IR。0e01e1IIeeRRReeCIRRI101较大当Re0、Re1差别不太大时：VUUBEBE7.010由于Re0、Re1的存在，IC1的稳定性比镜像电流源好。2020/6/168三、微电流源WidlarcurrentmirroreBEBEECRUUII1011希望得到：很小的IC1(A级)。而R又不能太大，前面的电流源电路不适用。)ln(110CRTBEBEIIUUU)ln(11CReTCIIRUI电路中，1时：)1(TUUSeIITUUeIIS正偏RUVIBECCR0其中，2020/6/1694.2.2改进电流源电路一、加射极输出的电流源201BRCCIIIIIC1与IR的不同是由于2IB引起的。加入电流放大电路1=2REII12=RBIIβ)β(I=ICR121RCII22212020/6/1610111222CCBCEIIIII212ECII二、威尔逊电流源2120BCBCRIIIII对基本3管电流源进行改进，使IC1与IR更加接近。12=22EEII22)2)(1(22=EIRCII222222WilsonCurrentSourcePNP威尔逊电流源221)2)(1(22=CI2020/6/16114.2.3.多路电流源电路33221100eEeEeEeERIRIRIRI同时有多路电流输出。1.基于比例电流源各BJT的UBE近似相等，有：2.基于多集电极三极管各集电极的面积为S0、S1、S2，有：0011CCISSI0022CCISSI0CBBECCRIIRUVI000210)(CCIISSSS2020/6/16123.MOS管多路电流源各MOS管沟道的W/L为S0、S1、S2、S3，则0011DDISSI0022DDISSI0033DDISSI2020/6/1613例题：电路如图所示，计算：IR、IC10、IC13。mARUUVIBEEBCCR73.0251112解：AIIIRUICCRTC28)ln(1010410mAIIRC52.02132020/6/16144.2.3电流源负载放大电路为了提高电路的增益Au，用电流源替代Rc/Rd。一、有源负载共射电路有源负载电路实际电路微变等效电路T2、T3没有输入信号，受控源开路。电路增益1211////bebLceceurRRrrA基本共射电路2020/6/1615二、有源负载差分电路电路：电流镜的作用由于镜像电流源的作用，增益是电阻负载的2倍。电路增益)////(2421LcecebeBOIdOduRrrriiuuA21CCIdiiu413CCCiii1242CCCOiiii差模信号beLbeLcecerRrRrr1211////单端输出结构。2020/6/16164.3集成运放简介一、F007电路1.偏置电路：T12、R5和T11产生基准电流。分析T10、T11和R4组成微电流源；T8和T9镜象电流源。T12和T13管电流源作为中间级的有源负载、并为输出级提供偏置。4.3.1双极型集成运放2020/6/16172.输入电路：T1、T2和T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。T5、T6、T7和R1、R2、R3组成镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。3.中间级：T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13管作这一级的集电级有源负载。4.输出级：T14和T18、T19管组成互补输出级。T15与R7、R8组成电压源，提供静态偏置。D1、D2为过流保护电路。2020/6/1618二、LM324电路2020/6/1619LM324简化电路(1/4)2020/6/1620MC14573电路T1、T2、T7、R：多路电流源T3、T4、T5、T6：有源负载差分放大T8：共源放大运放实物图片4.3.2单极型集成运放2020/6/16214.4.1集成运放的主要性能指标1.开环差模增益Aod在集成运放无外加反馈时差模放大倍数称为开环差模增益。)uu(uANPoododAlg20常用分贝：60～180dB,F007:100dB左右。2.共模抑制比KCMRocodCMRAAKCMRKlg20常用分贝：80～180dB,F007:80dB左右。4.4集成运放性能指标和低频等效电路2020/6/16223.差模输入电阻rid在输入差模信号时的输入电阻。IIdidIUrF007:大于2MΩ；反映UBE的失配rid越大从信号源索取的电流越小。4.输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dTUIO是使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。od0UOIOAUUIF007:2～10mV,OP177:4uV。2020/6/1623dUIO/dT是UIO的温度系数，是衡量运放温漂的重要参数。低漂移1uV/℃,超低漂移0.1～0.05uV/℃.F007:20～30uV/℃,OP177:0.03uV/℃.2B1BIOIIIF007:50～100uA,OP177:0.3uA。dIIO/dT是IIO的温度系数，是衡量运放温漂的重要参数。OP177:1.5PA/℃.5.输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT反映输入电流不对称程度.VO为0时：2020/6/1624IIB↓→IIO↓，信号源内阻的影响也越小。VO为0时：6.输入偏置电流IIB)II(21I2B1BIBIIB是输入差放管的基极偏置电流的平均值。7.最大共模输入电压UIcmaxUICUicmax时，运放不能正常工作。8.最大差模输入电压UIdmaxUIdmax是不至于使PN结反向击穿允许的最大差模输入电压。FOO7:±30V2020/6/16259.-3dB带宽fHfH是使Aod下降3dB时的信号频率。FOO7:7Hz10.单位增益带宽fcfc是使Aod下降到零分贝时的信号频率。理想运放：Aod、KCMR、rid、fH等均为∞，UIO、dUIO/dT、IIO、dIIO/dT、IIB等均为0。11.转换速率SR：集成运放对信号变化速度的适应能力.2020/6/1626说明参数典型值LM324A741MC14573开环差模增益Aod)/(NPOuuu10521053104共模抑制比KCMR=20lg(AOd/AOc)80dB9080单位增益带宽fCAOd＝1时的频率1.3MHz1.4转换速率SRmaxd/dtuO0.4V/s0.52.5输入失调电压UIO2mV15InputOffsetVoltage30nA200.22B1BII输入失调电流IIO输入偏置电流IIB2/)(2B1BII150nA801最大共模输入电压UIcmaxVCC－1.5VCCVCC－2KCMR下降最大差模输入电压UIdmax32V30差分管击穿差模输入电阻rid2M2020/6/16274.4.2集成运放的低频等效电路输入等效电路输出等效电路简化等效电路rO：输出电阻Ω数量级理想运放Aod、KCMR、rid、fC、SR…＝ro、UIO、IIB、IIO。…＝02020/6/16284.5集成运放的种类及选择4.5.1集成运放的发展概况4.5.2集成运放的种类一、按工作原理分类1.电压放大型F007、F3242.电流放大型LM3900、F19003.跨导型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD80112020/6/16291.可变增益运放2.选通运放二、按可控性分类1.高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037）三、按性能指标分类2020/6/16302.低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。（TLC2552）3.高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130）2020/6/16314.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）2020/6/16325.高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。6.大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。4.5.3运放的选择（略）2020/6/16334.6集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）二、使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因4.6.1使用时必做的工作2020/6/16342.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大2020/6/16354.6.2保护措施一、输入保护(a)防止输入